{% extends '__base__.html' %}
{% block title %}字符串和编码-Jack's web app{% endblock %}

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<h3>字符串和编码</h3>
<p>Author:Jack</p>
<h3>字符编码</h3>
<p>我们已经讲过了，字符串也是一种数据类型，但是，字符串比较特殊的是还有一个编码问题。</p>
<p>因为计算机只能处理数字，如果要处理文本，就必须先把文本转换为数字才能处理。最早的计算机在设计时采用8个比特（bit）作为一个字节（byte），所以，一个字节能表示的最大的整数就是255（二进制11111111=十进制255），
    如果要表示更大的整数，就必须用更多的字节。比如两个字节可以表示的最大整数是65535，4个字节可以表示的最大整数是4294967295。</p>
<p>由于计算机是美国人发明的，因此，最早只有127个字符被编码到计算机里，也就是大小写英文字母、数字和一些符号，这个编码表被称为ASCII编码，比如大写字母A的编码是65，小写字母z的编码是122。</p>
<p>但是要处理中文显然一个字节是不够的，至少需要两个字节，而且还不能和ASCII编码冲突，所以，中国制定了GB2312编码，用来把中文编进去。</p>
<p>你可以想得到的是，全世界有上百种语言，日本把日文编到Shift_JIS里，韩国把韩文编到Euc-kr里，各国有各国的标准，就会不可避免地出现冲突，结果就是，在多语言混合的文本中，显示出来会有乱码。</p>
<img src="/static/img/encoding.jpg">
<p>因此，Unicode字符集应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里，这样就不会再有乱码问题了。</p>
<p>Unicode标准也在不断发展，但最常用的是UCS-16编码，用两个字节表示一个字符（如果要用到非常偏僻的字符，就需要4个字节）。现代操作系统和大多数编程语言都直接支持Unicode。</p>
<p>现在，捋一捋ASCII编码和Unicode编码的区别：ASCII编码是1个字节，而Unicode编码通常是2个字节。</p>
<p>字母A用ASCII编码是十进制的65，二进制的01000001；</p>
<p>字符0用ASCII编码是十进制的48，二进制的00110000，注意字符'0'和整数0是不同的；</p>
<p>汉字中已经超出了ASCII编码的范围，用Unicode编码是十进制的20013，二进制的01001110 00101101。</p>
<p>你可以猜测，如果把ASCII编码的A用Unicode编码，只需要在前面补0就可以，因此，A的Unicode编码是00000000 01000001。</p>
<p>新的问题又出现了：如果统一成Unicode编码，乱码问题从此消失了。但是，如果你写的文本基本上全部是英文的话，用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间，在存储和传输上就十分不划算。</p>
<p>所以，本着节约的精神，又出现了把Unicode编码转化为“可变长编码”的UTF-8编码。UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节，常用的英文字母被编码成1个字节，汉字通常是3个字节，
    只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。如果你要传输的文本包含大量英文字符，用UTF-8编码就能节省空间：</p>
<table>
    <tr>
        <th>字符</th>
        <th>ASCII</th>
        <th>Unicode</th>
        <th>UTF-8</th>
    </tr>
    <tr>
        <td>A</td>
        <td>01000001</td>
        <td>00000000 01000001</td>
        <td>01000001</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>中</td>
        <td>/</td>
        <td>01001110 00101101</td>
        <td>11100100 10111000 10101101</td>
    </tr>
</table>
<p>从上面的表格还可以发现，UTF-8编码有一个额外的好处，就是ASCII编码实际上可以被看成是UTF-8编码的一部分，所以，大量只支持ASCII编码的历史遗留软件可以在UTF-8编码下继续工作。</p>
<p>搞清楚了ASCII、Unicode和UTF-8的关系，我们就可以总结一下现在计算机系统通用的字符编码工作方式：</p>
<p>在计算机内存中，统一使用Unicode编码，当需要保存到硬盘或者需要传输的时候，就转换为UTF-8编码。</p>
<p>用记事本编辑的时候，从文件读取的UTF-8字符被转换为Unicode字符到内存里，编辑完成后，保存的时候再把Unicode转换为UTF-8保存到文件：</p>
<img src="/static/img/unicode2utf8.jpg">
<p>浏览网页的时候，服务器会把动态生成的Unicode内容转换为UTF-8再传输到浏览器：</p>
<img src="/static/img/unicode2browser.jpg">
<p>所以你看到很多网页的源码上会有类似&lt;meta charset="UTF-8" /&gt;的信息，表示该网页正是用的UTF-8编码。</p>
<h3>Python的字符串</h3>
<p>搞清楚了令人头疼的字符编码问题后，我们再来研究Python的字符串。</p>
<p>在最新的Python 3版本中，字符串是以Unicode编码的，也就是说，Python的字符串支持多语言，例如：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; print('包含中文的str')
包含中文的str
</pre>
<p>对于单个字符的编码，Python提供了ord()函数获取字符的整数表示，chr()函数把编码转换为对应的字符：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; ord('A')
65
&gt;&gt;&gt; ord('中')
20013
&gt;&gt;&gt; chr(66)
'B'
&gt;&gt;&gt; chr(25991)
'文'
</pre>
<p>如果知道字符的整数编码，还可以用十六进制这么写str：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; '\u4e2d\u6587'
'中文'
</pre>
<p>两种写法完全是等价的。</p>
<p>由于Python的字符串类型是str，在内存中以Unicode表示，一个字符对应若干个字节。如果要在网络上传输，或者保存到磁盘上，就需要把str变为以字节为单位的bytes。</p>
<p>Python对bytes类型的数据用带b前缀的单引号或双引号表示：</p>
<pre class="code1">
x=b'ABC'
</pre>
<p>要注意区分'ABC'和b'ABC'，前者是str，后者虽然内容显示得和前者一样，但bytes的每个字符都只占用一个字节。</p>
<p>以Unicode表示的str通过encode()方法可以编码为指定的bytes，例如：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; 'ABC'.encode('ascii')
b'ABC'
&gt;&gt;&gt; '中文'.encode('utf-8')
b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
&gt;&gt;&gt; '中文'.encode('ascii')
Traceback (most recent call last):
    File "<b style="color:purple">&lt;stdin&gt;</b>", line 1, in <b style="color:purple">&lt;module&gt</b>;
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)
</pre>
<p>纯英文的str可以用ASCII编码为bytes，内容是一样的，含有中文的str可以用UTF-8编码为bytes。含有中文的str无法用ASCII编码，因为中文编码的范围超过了ASCII编码的范围，Python会报错。</p>
<p>在bytes中，无法显示为ASCII字符的字节，用\x##显示。</p>
<p>反过来，如果我们从网络或磁盘上读取了字节流，那么读到的数据就是bytes。要把bytes变为str，就需要用decode()方法：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; b'ABC'.decode('ascii')
'ABC'
&gt;&gt;&gt; b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.decode('utf-8')
'中文'
</pre>
<p>如果bytes中包含无法解码的字节，decode()方法会报错：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; b'\xe4\xb8\xad\xff'.decode('utf-8')
Traceback (most recent call last):
  ...
UnicodeDecodeError: 'utf-8' codec can't decode byte 0xff in position 3: invalid start byte
</pre>
<p>如果bytes中只有一小部分无效的字节，可以传入errors='ignore'忽略错误的字节：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; b'\xe4\xb8\xad\xff'.decode('utf-8',errors='ignore')
'中'
</pre>
<p>要计算str包含多少个字符，可以用len()函数：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; len('ABC')
3
&gt;&gt;&gt; len('中文')
2
</pre>
<p>1个中文字符经过UTF-8编码后通常会占用3个字节，而1个英文字符只占用1个字节。</p>
<p>在操作字符串时，我们经常遇到str和bytes的互相转换。为了避免乱码问题，应当始终坚持使用UTF-8编码对str和bytes进行转换。</p>
<p>由于Python源代码也是一个文本文件，所以，当你的源代码中包含中文的时候，在保存源代码时，就需要务必指定保存为UTF-8编码。当Python解释器读取源代码时，为了让它按UTF-8编码读取，我们通常在文件开头写上这两行：</p>
<pre class="code1">
<var style="color:green">#!/usr/bin/env python3</var>
<var style="color:green"># -*- coding: utf-8 -*-</var>
</pre>
<p>第一行注释是为了告诉Linux/OS X系统，这是一个Python可执行程序，Windows系统会忽略这个注释；</p>
<p>第二行注释是为了告诉Python解释器，按照UTF-8编码读取源代码，否则，你在源代码中写的中文输出可能会有乱码。</p>
<p>申明了UTF-8编码并不意味着你的.py文件就是UTF-8编码的，必须并且要确保文本编辑器正在使用UTF-8 without BOM编码.</p>
<p>如果.py文件本身使用UTF-8编码，并且也申明了# -*- coding: utf-8 -*-，打开命令提示符测试就可以正常显示中文：</p>
<pre>
┌────────────────────────────┐
│Command Prompt                                    - □ x│
├────────────────────────────┤
│Microsoft Windows [Version 10.0.0]                      │
│(c) 2015 Microsoft Corporation. All rights reserved.    │
│                                                        │
│C:\&gt; python                                             │
│Python 3.8.x ...                                        │
│[MSC v... 64 bit (AMD64)] on win32                      │
│Type "help", "copyright", "credits" or "license" for mor│
│information.                                            │
│&gt;&gt;&gt; print("中文测试正常")                               │
│中文测试正常                                            │
│                                                        │
└────────────────────────────┘
</pre>
<h3>格式化</h3>
<p>最后一个常见的问题是如何输出格式化的字符串。我们经常会输出类似'亲爱的xxx你好！你xx月的话费是xx，余额是xx'之类的字符串，而xxx的内容都是根据变量变化的，所以，需要一种简便的格式化字符串的方式。</p>
<p>在Python中，采用的格式化方式和C语言是一致的，用%实现，举例如下：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; 'Hello,%s'%'world'
'Hello,world'
&gt;&gt;&gt; 'Hi,%s,you have $%d.'%('Michael',1000000)
'Hi,Michael,you have $1000000.'
</pre>
<p>你可能猜到了，%运算符就是用来格式化字符串的。在字符串内部，%s表示用字符串替换，%d表示用整数替换，有几个%?占位符，后面就跟几个变量或者值，顺序要对应好。如果只有一个%?，括号可以省略。</p>
<p>如果你有C语言开发经验,这对你会很容易,因为它的规则与printf()函数完全一样:</p>
<table>
    <tr>
        <th>占位符</th>
        <th>替换内容</th>
    </tr>
    <tr>
        <td>%d</td>
        <td>整数</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>%f</td>
        <td>浮点数</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>%s</td>
        <td>字符串</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>%x</td>
        <td>十六进制整数</td>
    </tr>
</table>
<p>如果你不太确定应该用什么，%s永远起作用，它会把任何数据类型转换为字符串：</p>
<pre class="code1">
&gt;&gt;&gt; 'Age: %s. Gender: %s' % (25, True)
'Age: 25. Gender: True'
</pre>
<p>有些时候，字符串里面的%是一个普通字符怎么办？这个时候就需要转义，用%%来表示一个%.</p>
<h3>小结</h3>
<p>Python 3的字符串使用Unicode，直接支持多语言。</p>
<p>当str和bytes互相转换时，需要指定编码。最常用的编码是UTF-8。如果没有特殊业务要求，请牢记仅使用UTF-8编码。</p>
<p>格式化字符串的时候，可以用Python的交互式环境测试，方便快捷。</p>
<h3>参考源码</h3>
<a href="https://gitee.com/jack20081117/learn-python3/blob/master/samples/basic/the_string.py">the_string.py</a>
<br>
<a href="http://localhost:9090/webapp/python/pythondata">&lt;&lt;上一页</a>
<a href="http://localhost:9090/webapp/python/pythonlisttuple" style="float:right">下一页&gt;&gt;</a>
{% endblock %}
